摘要：本文通过对LED封装形态及配光特性的分析，揭示了传统直插式LED户外显示屏存在的两大缺陷的产生机理。并从近年来LED芯片光效的大幅提升以及器件封装技术的不断突破，探讨户外LED显示屏未来的发展趋势。
关键词：LED，配光特性，封装形态，户外显示，发展趋势
The trend of the Outdoor Display viewing from the technological
Progress of the LED Device
Deshi Cheng, Dahong Li
(Shanghai Sansi Technology Co., Ltd, Shanghai 201100, China)
Abstract: This paper makes analysis on the relation of the packaging style of LEDs and its light distribution characteristics. It reveals the root cause of the two main defects of outdoor displays made of traditional through-hole LEDs. It views into and pays attention to the greatly enhanced light efficiency of LEDs and the steadily improvement on the packaging technology. It tries to tell the development trend of outdoor LED displays.
Keywords：LED， light distribution characteristics， packaging style, outdoor display, development trend
引言
二十世纪九十年代初户外LED显示屏问世，受当时LED的发光效率低下的制约，业内采取了压缩LED视角（尤其是压缩垂直方向视角）的技术路线，使有限的光能集中于光轴方向。从而实现了提高显示屏光轴方向亮度的目的，并促进了户外LED显示屏的持续发展。但是，该方法带来的两大弊端长期以来一直困扰着业界：（1）受众范围大大缩小；（2）亮度均匀性严重受损。
进入二十一世纪，LED从外延材料生长、芯片制作到器件封装均取得了大幅度的技术进步，LED综合光效已提高了3～4倍。因此采用压缩视角而提高光轴方向亮度的技术方法已不应再成为业界提高亮度的唯一技术路线。提高显示屏亮度的同时扩大受众范围并大幅改善亮度均匀性已成可行，户外LED显示屏进行技术变革的时代业已来临。
1. LED配光特性与显示屏配光特性关联性分析
人们通常会认为“LED配光特性就等于显示屏配光特性” 。这是一个不准确的说法，准确的说 LED配光特性（以下用I(θ)表示）与显示屏配光特性（以下用B(θ)表示）之间的数学关系与测试方法有关：
(a) 若我们测试显示屏水平方向的配光特性，而测试图像为一列竖线时；或测试显示屏垂直方向的配光特性，而测试图像为一行横线时，则：
B(θ)=I(θ) （1）
(b) 若我们测试显示屏水平或垂直方向配光特性，而测试图像为大面积（大于测量仪器的取样范围）同一灰度图像时，则：
B(θ)=I(θ)/Cosθ （2）
以上两种测试方法中，方法(b)因为与显示屏实际应用更为贴近，因此被业界更多地采用。目前我国行业标准SJ/T11281即采用了该测试方法。
同时，从公式（2）中我们可以得出结论：为了使LED显示屏的配光特性B(θ)=1（即显示屏的亮度不随观察者的角度变化而变化），则LED的配光特性应满足I(θ)=Cosθ。即显示屏用LED的理想配光特性应该为余弦函数（含水平方向和垂直方向）。
2. LED配光特性与显示屏亮度及均匀性关联性分析
通常我们所说的某一特定规格LED的配光特性是指该规格LED的平均配光特性，而具体到该规格LED的个体（即使是同一规格、同一批次），不同个体之间的配光特性其实是有较大差异的。产生这些差异的主要原因有：
(a) 芯片配光特性的微小差异；
(b) 封装支架的形状及反光特性的微小差异；
(c) 固晶过程中芯片与支架相对位置的微小差异；
(d) 由于封胶设备的精度原因而造成的支架与模条之间的位置以及插深的微小差异；
(e) 不同封胶模条的差异以及同一模条在使用不同次数之后所造成的差异。
由于上述主要原因，所造成的同一规格、不同LED个体之间的配光特性差异具体表现为：
(a) 光轴与机械轴的偏离差异；
(b) 半功率角大小的差异；
(c) 配光特性形状的差异。
因此，当我们在某些敏感角度观察某块显示屏时，由于LED器件本身因素而造成不同LED配光特性在单方位的角度差异就可达2～3° 左右，再加上显示屏制造商在显示屏制作过程中产生的不同LED之间垂直度的差异1～2° 左右。同一块显示屏中不同LED之间在单方位的角度累计差异大约在3～5° 左右。这样的角度差异会带来多大的亮度偏差？我们通过图一作如下分析：
图一是某国际知名品牌用于全彩色显示屏的直插式椭圆透镜LED的配光特性。其中，虚线是垂直方向配光特性（角度较小），实线为水平方向配光特性（角度较大）。从图一可以看出：
(a) 当角度较小的垂直配光特性从11° 到15° 变化时（4° 的变化值），LED的相对亮度值从0.8降到了0.6，变化幅度高达(0.8-0.6)/0.6=33%（该段配光特性曲线的斜率极大）；而当角度较大的水平配光特性同样从11° 到15° 变化时，LED的相对亮度值则仅从0.93降到了0.89，变化幅度只有(0.93-0.89)/0.89=4.5%（该段配光特性曲线的斜率较小）；
(b) 当观察者的视线与显示屏的光轴有30° 的夹角时：在垂直方向LED的光强仅为LED光轴方向亮度的27.5%；而在水平方向LED的光强则任然保有74% 。
由此可知：当观察者的视线与LED光轴在垂直方向存在一定角度时（大于10°），通过压缩垂直方向的角度从而提高LED光轴方向的亮度这一技术路线带来了两大弊端：
(a) LED显示屏的亮度均匀性极度劣化；
(b) LED的亮度大幅下降。 [JF:Page]
3. 表贴LED的特性及在户外显示屏的应用
正是因为采用直插式椭圆透镜LED存在上述难以克服的严重弊端，近年来伴随着LED光效的大幅提升，业内开始逐步摈弃“压缩垂直视角提高光轴亮度”的做法，而尝试采用角度更大、配光特性更为平滑、装配精度更高的表贴LED。图二给出了某国际知名品牌平面形PLCC表贴LED的配光特性。从图中看出：
(a) 该封装形式的LED无论水平方向还是垂直方向均具有较大的角度；
(b) 整个配光特性曲线斜率变化小，较为平滑；
(c) 配光特性曲线函数近似于余弦函数（I(θ)=Cosθ）。
根据上述分析我们确认，采用平面形PLCC表贴LED制造的显示屏具有如下特点：
(a) 因为LED在水平和垂直方向均具有较大的角度（配光特性曲线斜率变化小，较为平滑），且表贴LED显示屏的装配精度高。所以显示屏亮度均匀性极为优越；
(b) LED配光特性近似余弦函数（I(θ)≈Cosθ），使得显示屏配光特性B(θ) =I(θ)/Cosθ≈Cosθ/Cosθ≈1，即显示屏的亮度不随观察者视角的变化而变化。
当然，平面形PLCC工艺封装的表贴LED虽然具有近似理想的配光特性，并会带来极为卓越图像质量（尤其是观察者的视线在垂直方向与显示屏光轴偏离较大时）。但是，表贴LED在户外显示屏的实际应用中我们还须解决好两个重要环节：一是 “防水” 、二是“散热” 。目前,一些业内知名品牌在这两个重要技术环节业已取得了突破，并通过许多工程案例的实施使得该技术已步入成熟。
4. 结论
时代发展至今我们可以看出：始于上个世纪九十年代初通过压缩LED垂直方向角度来提高显示屏光轴方向亮度的技术路线经过了近二十年的发展及应用，由于存在随着观察视角的增大而亮度大幅下降以及均匀性的严重劣化的两大弊端，在新材料、新技术、新工艺的成长及成熟过程中受到了质疑与挑战。从追求更高的图像质量与效果的角度看，该技术路线仅仅适合于观察者的视线与显示屏光轴在垂直方向的夹角较小时（笔者建议控制在10° 之内）。而当观察者的视线与显示屏光轴在垂直方向的夹角较大时（≥10°），选用角度更大、特性更平滑、配光曲线近似余弦函数的表贴LED制作的显示屏不仅亮度不随观察者视角的变化而变化（近似理想的显示屏配光特性），并拥有更大的受众范围。而且可使显示屏具有优良的亮度均匀性，从而获得极其卓越的图像质量。
作者简介：程德诗（1959--），男，苏州人，高级工程师，上海三思科技发展有限公司总经理，1982年毕业于南京工学院（现东南大学）工业电气化专业（本科/学士学位）。多年从事光电子技术、视频技术及计算机控制系统的研究，现主要从事LED、LED显示及LED照明等技术开发、经营及企业管理工作。
